電力電子與開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展（三）
高頻開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢
在電力電子技術(shù)的應用及各種電源系統中，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開(kāi)關(guān)電源技術(shù),其體積和重量都會(huì )大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節省材料、降低成本。在電動(dòng)汽車(chē)和變頻傳動(dòng)中,更是離不開(kāi)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，通過(guò)開(kāi)關(guān)電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅動(dòng)控制。高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù),更是各種大功率開(kāi)關(guān)電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術(shù)。
高頻化
理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗表明,電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話(huà),用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無(wú)論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開(kāi)關(guān)式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統“整流行業(yè)”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據這一原理進(jìn)行改造, 成為“開(kāi)關(guān)變換類(lèi)電源”,其主要材料可以節約90%或更高,還可節電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來(lái)采用電子管的傳統高頻設備固態(tài)化,帶來(lái)顯著(zhù)節能、節水、節約材料的經(jīng)濟效益,更可體現技術(shù)含量的價(jià)值。
模塊化
模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見(jiàn)的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七元,包括開(kāi)關(guān)器件和與之反并聯(lián)的續流二極管,實(shí)質(zhì)上都屬于“標準”功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開(kāi)關(guān)器件的驅動(dòng)保護電路也裝到功率模塊中去,構成了“智能化”功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設計制造。實(shí)際上,由于頻率的不斷提高,致使引線(xiàn)寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現為過(guò)電壓、過(guò)電流毛刺)。為了提高系統的可靠性,有些制造商開(kāi)發(fā)了“用戶(hù)專(zhuān)用”功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個(gè)模塊中,使元器件之間不再有傳統的引線(xiàn)連接,這樣的模塊經(jīng)過(guò)嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優(yōu)化完美的境地。它類(lèi)似于微電子中的用戶(hù)專(zhuān)用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫(xiě)入該模塊中的微處理器芯片,再把整個(gè)模塊固定在相應的散熱器上,就構成一臺新型的開(kāi)關(guān)電源裝置。由此可見(jiàn),模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統連線(xiàn),把寄生參數降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統的可靠性。另外,大功率的開(kāi)關(guān)電源,
由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮,一般采用多個(gè)獨立的模塊單元并聯(lián)工作,采用均流技術(shù),所有模塊共同分擔負載電流,一旦其中某個(gè)模塊失效,其它模塊再平均分擔負載電流。這樣,不但提高了功率容量, 在有限的器件容量的情況下滿(mǎn)足了大電流輸出的要求, 而且通過(guò)增加相對整個(gè)系統來(lái)說(shuō)功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統可靠性,即使萬(wàn)一出現單模塊故障,也不會(huì )影響系統的正常工作,而且為修復提供充分的時(shí)間。
數字化
在傳統功率電子技術(shù)中,控制部分是按模擬信號來(lái)設計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術(shù)完全是建立在模擬電路基礎上的。但是,現在數字式信號、數字電路顯得越來(lái)越重要,數字信號處理技術(shù)日趨完善成熟,顯示出越來(lái)越多的優(yōu)點(diǎn):便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調,也便于自診斷、容錯等技術(shù)的植入。所以,在八、九十年代,對于各類(lèi)電路和系統的設計來(lái)說(shuō),模擬技術(shù)還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問(wèn)題以及功率因數修正(PFC)等問(wèn)題的解決,離不開(kāi)模擬技術(shù)的知識,但是對于智能化的開(kāi)關(guān)電源,需要用計算機控制時(shí),數字化技術(shù)就離不開(kāi)了。
綠色化
電源系統的綠色化有兩層含義:首先是顯著(zhù)節電, 這意味著(zhù)發(fā)電容量的節約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染,國際電工委員會(huì )(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實(shí)上,許多功率電子節電設備,往往會(huì )變成對電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數下降,使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數的方法。這些為2l世紀批量生產(chǎn)各種綠色開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品奠定了基礎。
現代電力電子技術(shù)是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的基礎。隨著(zhù)新型電力電子器件和適于更高開(kāi)關(guān)頻率的電路拓撲的不斷出現,現代電源技術(shù)將在實(shí)際需要的推動(dòng)下快速發(fā)展。在傳統的應用技術(shù)下,由于功率器件性能的限制而使開(kāi)關(guān)電源的性能受到影響。為了極大發(fā)揮各種功率器件的特性,使器件性能對開(kāi)關(guān)電源性能的影響減至最小,新型的電源電路拓撲和新型的控制技術(shù),可使功率開(kāi)關(guān)工作在零電壓或零電流狀態(tài),從而可大大的提高工作頻率,提高開(kāi)關(guān)電源工作效率,設計出性能優(yōu)良的開(kāi)關(guān)電源。
總而言之,電力電子及開(kāi)關(guān)電源技術(shù)因應用需求不斷向前發(fā)展,新技術(shù)的出現又會(huì )使許多應用產(chǎn)品更新?lián)Q代,還會(huì )開(kāi)拓更多更新的應用領(lǐng)域。開(kāi)關(guān)電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實(shí)現,將標志著(zhù)這些技術(shù)的成熟,實(shí)現高效率用電和高品質(zhì)用電相結合。這幾年,隨著(zhù)通信行業(yè)的發(fā)展,以開(kāi)關(guān)電源技術(shù)為核心的通信用開(kāi)關(guān)電源,僅國內有20多億人民幣的市場(chǎng)需求,吸引了國內外一大批科技人員對其進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究。開(kāi)關(guān)電源代替線(xiàn)性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統的國內市場(chǎng)正在啟動(dòng),并將很快發(fā)展起來(lái)。還有其它許多以開(kāi)關(guān)電源技術(shù)為核心的專(zhuān)用電源、工業(yè)電源正在等待著(zhù)人們去開(kāi)發(fā)。
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